CN114482988A - 采用分布式声学传感设备的含水层出水段定位系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种采用分布式声学传感设备的含水层出水段定位系统及方法，该系统包括测井绞车和定滑轮；测井绞车上设置有单模测井钢丝光纤的一端，单模测井钢丝光纤的另一端绕过定滑轮并伸入至水文地质勘探钻孔中；单模测井钢丝光纤上从左到右依次连接有显示屏、测控与信号处理设备、分布式声学传感设备、钻孔深度记录仪和光纤配重。该方法采用单模测井钢丝光纤作为传感器，采用分布式声学传感设备将增强后的线性扫频光脉冲注入到单模测井钢丝光纤中，采用测控与信号处理设备对单模测井钢丝光纤中传输后反馈的后向瑞利散射信号进行处理后，获得差分相位信号，即能实现对顶板巨厚砂岩含水层出水段的精准定位。
Description
技术领域
本发明属于水文地质勘探技术领域，涉及含水层出水段的定位系统及方法，具体涉及一种采用分布式声学传感设备的含水层出水段定位系统及方法。
背景技术
常用的含水层出水段水文地质勘探技术主要有钻探岩心编录法、分段抽水试验法、流量测井法与盐化测井法。
钻探岩心编录法主要是通过钻探过程中采取的岩心并配合地球物理测井方法，对岩层进行地质编录；对巨厚砂岩含水层来讲，就是笼统地将各类砂岩层划分为含水层，将泥岩、砂质泥岩层划分为隔水层。钻探岩心编录法主要适用于结构简单、不均一性较差的含水岩层，不适用岩层结构复杂、不均一性较强的巨厚砂岩含水层，无法准确判断含水层段，测试精度不足。
分段抽水试验法通过下放上下两个封隔器，将巨厚砂岩地层分隔成若干的抽水段，每段几十米到上百米不等，通过潜水泵抽水以激发地下水流场，通过抽水量、水位降深等试验参数计算该抽水段的单位涌水量、渗透系数等水文地质参数，然后评价该层段的含隔水性能。分段抽水试验法可一定程度上细化巨厚砂岩含水层出水层段，但由于对试验设备、人员等要求高，操作繁琐，试验成本高，试验时间周期长，现场难以做较为精细的分段划分，试验结果能反应几十米到上百米抽水段的平均情况，无法实现含水层出水段的精细定位。
流量测井法在水文地质工作的应用主要是在进行抽水试验过程中，该方法将流量计放在水泵下方的孔段中，通过抽水激发地下水流场过程中，测量孔内流体的流动速度相关信息，然后求出平均速度，与截面积相乘求出体积流量，继而分析含水层具体的出水段。然而，流量测井法在水文地质勘探中，必须配合抽水试验进行，无法单独开展工作，且当地下水流场水动力条件较弱时，往往无法取得有效实验值，在顶板巨厚砂岩含水层中应用效果相对较差。
盐化测井通过在钻孔中提前投放食盐，增强含水层出水段处电阻率与其他孔段之间的差异性，通过电阻率曲线局部异常值判断含水层的具体出水层段。盐化测井方法需在孔内投放大量食盐，并待充分融化后方可开展工作，在测试段较长时往往因为投放不均匀，导致测试结果与实际情况不符，准确度亦相对较差。
综合上述分析可知，现有的含水层出水段划分方法无法精细划分顶板巨厚砂岩含水层，无法实现顶板巨厚砂岩含水层出水段的精准定位，进而导致顶板帷幕注浆层位选取盲目性较大、难以进行靶向帷幕注浆。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供一种采用分布式声学传感设备的含水层出水段定位系统及方法，解决现有技术中顶板巨厚砂岩含水层出水段难以实现精准定位的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种采用分布式声学传感设备的含水层出水段定位系统，包括测井绞车，所述的测井绞车设置在水文地质勘探钻孔外的地面上，所述的水文地质勘探钻孔布设在顶板巨厚砂岩中；还包括定滑轮，所述的定滑轮设置在水文地质勘探钻孔的顶端；
所述的测井绞车上设置有单模测井钢丝光纤的一端，单模测井钢丝光纤的另一端绕过定滑轮并伸入至水文地质勘探钻孔中；单模测井钢丝光纤上从左到右依次连接有显示屏、测控与信号处理设备、分布式声学传感设备、钻孔深度记录仪和光纤配重；所述的显示屏、测控与信号处理设备、分布式声学传感设备和钻孔深度记录仪位于水文地质勘探钻孔外的地面上，所述的钻孔深度记录仪位于测井绞车和定滑轮之间；所述的光纤配重位于水文地质勘探钻孔中；
所述的分布式声学传感设备包括用于发射光波的窄线宽激光器，所述的窄线宽激光器的输出端与光纤耦合器的输入端相连接；所述的光纤耦合器的第一输出端与光量检测模块的第一输入端相连接；所述的光量检测模块的输出端与测控与信号处理设备的输入端相连接；
所述的光纤耦合器的第二输出端与调制模块的第一输入端相连接，所述的调制模块的双向传输端与单模测井钢丝光纤的双向传输端相连接；调制模块的双向传输端与单模测井钢丝光纤的双向传输端相连接，调制模块的第二输出端与光量检测模块的第二输入端相连接；
所述的调制模块的第二输入端与测控与信号处理设备的输出端相连接；
所述的测控与信号处理设备包括输入端与光量检测模块的输出端相连接的模数转换模块，所述的模数转换模块的输出端与FPGA电路模块的输入端相连接，所述的FPGA电路模块的第一输出端与数模转换模块的输入端相连接，所述的数模转换模块的输出端与射频放大器的输入端相连接，所述的射频放大器的输出端与调制模块的输入端相连接；
所述的FPGA电路模块的第二输出端与GPU-CPU数据处理模块的输入端相连接，所述的GPU-CPU数据处理模块的输出端与显示屏相连接。
本发明还具有如下技术特征：
具体的，所述的光量检测模块包括第一输入端与光纤耦合器的第一输出端相连接的偏振分集接收器，偏振分集接收器的第二输入端与调制模块的第二输出端相连接，偏振分集接收器的输出端与第一平衡光电探测器和第二平衡光电探测器的输入端均相连接；所述的第一平衡光电探测器和第二平衡光电探测器的输出端均与模数转换模块的第二输入端相连接。
具体的，所述的调制模块包括第一输入端与光纤耦合器第二输出端相连接的声光调制器，所述的声光调制器的第二输入端与射频放大器的输出端相连接；
所述的声光调制器的输出端与掺铒光纤放大器的输入端相连接，所述的掺铒光纤放大器的输出端与环形器的第一输入端相连接，所述的环形器的双向传输端与单模测井钢丝光纤的双向传输端相连接，环形器的第二输出端与偏振分集接收器的第二输入端相连接。
具体的，所述的射频放大器与声光调制器通过同轴电缆相连接；所述的模数转换模块与第一平衡光电探测器和第二平衡光电探测器均通过同轴电缆相连接。
本发明还保护一种采用分布式声学传感设备的含水层出水段定位方法，该方法采用如上所述的采用分布式声学传感设备的含水层出水段定位系统。
具体的，该方法具体包括如下步骤：
步骤一，组装系统和布置水文地质勘探钻孔；
步骤二，获取数字信号；
将步骤一中完成组装的系统中的单模测井钢丝光纤，伸入步骤一布置好的水文地质勘探钻孔中，采用窄线宽激光器发出光波，所述的光波经光纤耦合器产生耦合光波，所述的一部分耦合光波传送至偏振分集接收器中；
所述的另一部分耦合光波传送至声光调制器中；采用FPGA电路模块发出扫频脉冲序列，所述的扫频脉冲序列通过数模转换模块转换为扫频连续波，所述的扫频连续波经过射频放大器转换为放大扫频连续波，所述的放大扫频连续波传输至声光调制器中；
所述的另一部分耦合光波在声光调制器中被调制成线性扫频光脉冲，所述的线性扫频光脉冲通过掺铒光纤放大器增强光功率后，经过环形器注入单模测井钢丝光纤中，所述的增强线性扫频光脉冲在单模测井钢丝光纤中传输后产生的后向瑞利散射信号，所述的后向瑞利散射信号经由环形器传送至偏振分集接收器中；
所述的一部分耦合光波和所述的后向瑞利散射信号在偏振分集接收器中发生拍频，产生光信号；所述的光信号通过第一平衡光电探测器和第二平衡光电探测器转化为电流信号，所述的电流信号通过模数转换模块转化为数字信号，所述的数字信号中包含有水文勘探钻孔含水层出水段的状态信息；
步骤三，获取差分相位信息；
采用FPGA电路模块对步骤二获得的数字信号进行数字脉冲压缩，获得瑞利散射数字信号；采用FPGA电路模块对所述的瑞利散射数字信号进行降噪处理，然后采用GPU-CPU数据处理模块对降噪后的瑞利散射数字信号进行相位空间差分运算，获得差分相位信息；
步骤四，获得滤波后的差分相位信息；
步骤五，获得多次差分相位信息；
持续数小时重复步骤二至步骤四，获得多次差分相位信息；所述的多次差分相位信息中包含有水文勘探钻孔含水层出水段的状态信息；
步骤六，获得有效差分相位信号；
采用GPU-CPU数据处理模块，对步骤五获得的多次差分相位信息进行改进的总体平均经验模态分解，选取仅代表顶板巨厚砂岩含水层出水段振动特征的模式分量，进行信号重构，获得有效差分相位信号；所述的有效差分相位信号中包含有水文勘探钻孔含水层出水段的状态信息；
步骤七，定位顶板巨厚砂岩含水层出水段；
提取步骤六获得的有效差分相位信号中发生显著变化的一个或多个单模测井钢丝光纤位置，结合钻孔深度记录仪记录的单模测井钢丝光纤进入钻孔的深度，获得顶板巨厚砂岩含水层出水段的位置。
具体的，步骤二中，所述的扫频脉冲序列的脉冲持续时间为2μs，脉冲间隔为250μs，扫频范围为80Hz～200MHz。
具体的，所述的步骤一具体为：将显示屏、测控与信号处理设备、分布式声学传感设备和钻孔深度记录仪依次连接好；将单模测井钢丝光纤安装在测井绞车上，将钻孔深度记录仪和光纤配重连接到单模测井钢丝光纤上；将单模测井钢丝光纤连接有光纤配重的一端绕过孔口定滑轮，并将单模测井钢丝光纤伸入水文地质勘探钻孔中。
具体的，所述的步骤四具体为：对步骤三获得的差分相位信息进行滤波，获得滤波后的差分相位信息，所述的滤波的截止频率为80Hz。
本发明与现有技术相比，具有如下有益的技术效果：
(Ⅰ)本发明的采用分布式声学传感设备的含水层出水段定位方法，采用单模测井钢丝光纤作为传感器，采用分布式声学传感设备将增强后的线性扫频光脉冲注入到单模测井钢丝光纤中，采用测控与信号处理设备对单模测井钢丝光纤中传输后反馈的后向瑞利散射信号进行处理后，获得差分相位信号，即能实现对顶板巨厚砂岩含水层出水段的精准定位。
本发明的采用分布式声学传感设备的含水层出水段定位方法，通过精细划分顶板巨厚砂岩含水层，能够实现对顶板巨厚砂岩含水层出水段的精准定位，进而实现向顶板巨厚砂岩含水层进行靶向注浆，提高顶板截水减排效果；同时靶向注浆能有效降低注浆成本。
(Ⅱ)本发明的采用分布式声学传感设备的含水层出水段定位系统，其中单模测井钢丝光纤与分布式声学传感系统直接连接后便可测试，操作简单方便；测试结束后单模测井钢丝光纤能够回收利用，测试成本低。
附图说明
图1为采用分布式声学传感设备的含水层出水段定位系统的整体结构示意图。
图2为测控与信号处理设备与分布式声学传感设备的信号传递关系示意图。
图3为实施例2中水文勘探钻孔结构的示意图。
图中各标号的含义为：1-测井绞车，2-定滑轮，3-单模测井钢丝光纤，4-显示屏，5-测控与信号处理设备，6-分布式声学传感设备，7-钻孔深度记录仪，8-光纤配重，9-水文地质勘探钻孔，10-含水层出水段，11-含水层，12-孔外水位，13-孔内水位，14-同轴电缆；
501-FPGA电路模块，502-数模转换模块，503-射频放大器，504-模数转换模块，505-GPU-CPU数据处理模块；
601-窄线宽激光器，602-光纤耦合器，603-光量检测模块，604-调制模块；
901-套管段，902-测试段，903-封孔段；
60301-偏振分集接收器，60302-第一平衡光电探测器，60303-第二平衡光电探测器；
60401-声光调制器，60402-掺铒光纤放大器，60403-环形器。
以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
具体实施方式
随着我国煤炭生产基地整体向西部转移，西部侏罗纪煤田煤炭资源生产强度显著增大，并逐渐向深部延伸，煤层顶板巨厚砂岩含水层水害问题日益突出、突水频繁。为有效遏制顶板水害事故，需开展顶板水超前预疏放、巨厚砂岩含水层注浆改造及截水减排等防治水工作，精准定位顶板巨厚砂岩含水层出水段，能够提高上述防治水工作的针对性和有效性。
以陕西省彬长矿区某矿井的顶板巨厚砂岩为例，该矿井开采过程中受白垩系洛河组含水层水害影响较为严重。该含水层厚度大、富水性中等，煤层回采导水裂隙带波及到该含水层时造成矿井高强度涌水，多数矿井正常涌水量达到600m3/h以上，部分矿井甚至大于2100m3/h，水文地质条件较为复杂，查明影响煤层开采较为严重的洛河组含水层水文地质条件，对矿井防治水工作开展有重要意义。
基于上述实际情况，本发明公开了一种采用分布式声学传感设备的含水层出水段定位系统和方法，在准备好的水文勘探钻孔中放入单模测井钢丝光纤作为前端传感器，利用光纤传感器对振动的敏感特性，当顶板巨厚砂岩含水层出水段出水产生的微弱振动作用于单模测井钢丝光纤上时，光纤的微小变形改变了光纤内部散射体间距和折射系数，进而引起后向散射信号强度的变化。将单模测井钢丝光纤的首端与采用分布式声学传感设备的含水层出水段定位系统连接，通过该系统向单模测井钢丝光纤中注入激光脉冲信号，分析接收到的后向散射信号的强度，就能够探测由于出水段出水产生的微弱振动所引起的单模测井钢丝光纤动态变形，即能够获得顶板巨厚含水层出水段出水产生的微弱振动信号，从而精准定位顶板巨厚砂岩含水层出水段，进而可精细划分顶板巨厚砂岩含水层，进行顶板巨厚砂岩含水层靶向注浆，提高顶板截水减排效果。
本发明中：
FPGA电路模块指的是现场可编辑逻辑门阵列电路模块。
高通滤波器为现有技术中已知的高通滤波器。
需要说明的是，本发明中的所有用到的模块、元器件和设备，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的模块、元器件和设备。
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例提供一种采用分布式声学传感设备的含水层出水段定位系统，如图1至图3所示，包括测井绞车1，测井绞车1设置在水文地质勘探钻孔9外的地面上，水文地质勘探钻孔9布设在顶板巨厚砂岩中；还包括定滑轮2，定滑轮2设置在水文地质勘探钻孔9的顶端；
测井绞车1上设置有单模测井钢丝光纤3的一端，单模测井钢丝光纤3的另一端绕过定滑轮2并伸入至水文地质勘探钻孔9中；单模测井钢丝光纤3上从左到右依次连接有显示屏4、测控与信号处理设备5、分布式声学传感设备6、钻孔深度记录仪7和光纤配重8；显示屏4、测控与信号处理设备5、分布式声学传感设备6和钻孔深度记录仪7位于水文地质勘探钻孔9外的地面上，钻孔深度记录仪7位于测井绞车1和定滑轮2之间；光纤配重8位于水文地质勘探钻孔9中；
分布式声学传感设备6包括用于发射光波的窄线宽激光器601，窄线宽激光器601的输出端与光纤耦合器602的输入端相连接；光纤耦合器602的第一输出端与光量检测模块603的第一输入端相连接；光量检测模块603的输出端与测控与信号处理设备5的输入端相连接；
光纤耦合器602的第二输出端与调制模块604的第一输入端相连接，调制模块604的双向传输端与单模测井钢丝光纤3的双向传输端相连接；调制模块604的双向传输端与单模测井钢丝光纤3的双向传输端相连接，调制模块604的第二输出端与光量检测模块603的第二输入端相连接；
调制模块604的第二输入端与测控与信号处理设备5的输出端相连接；
测控与信号处理设备5包括输入端与光量检测模块603的输出端相连接的模数转换模块504，模数转换模块504的输出端与FPGA电路模块501的输入端相连接，FPGA电路模块501的第一输出端与数模转换模块502的输入端相连接，数模转换模块502的输出端与射频放大器503的输入端相连接，射频放大器503的输出端与调制模块604的输入端相连接；
FPGA电路模块501的第二输出端与GPU-CPU数据处理模块505的输入端相连接，GPU-CPU数据处理模块505的输出端与显示屏4相连接。
作为本实施例一种具体方案，光量检测模块603包括第一输入端与光纤耦合器602的第一输出端相连接的偏振分集接收器60301，偏振分集接收器60301的第二输入端与调制模块604的第二输出端相连接，偏振分集接收器60301的输出端与第一平衡光电探测器60302和第二平衡光电探测器60303的输入端均相连接；第一平衡光电探测器60302和第二平衡光电探测器60303的输出端均与模数转换模块504的第二输入端相连接。
本实施例中，光量检测模块603主要用于接收线性扫频光脉冲在光纤中传输产生的后向瑞利散射信号，并能够将后向瑞利散射信号与耦合光波转换为拍频光信号，最后将光信号转化为电流信号。
作为本实施例一种具体方案，调制模块604包括第一输入端与光纤耦合器602第二输出端相连接的声光调制器60401，声光调制器60401的第二输入端与射频放大器503的输出端相连接；
声光调制器60401的输出端与掺铒光纤放大器60402的输入端相连接，掺铒光纤放大器60402的输出端与环形器60403的第一输入端相连接，环形器60403的双向传输端与单模测井钢丝光纤3的双向传输端相连接，环形器60403的第二输出端与偏振分集接收器60301的第二输入端相连接。
本实施例中，调制模块604中的声光调制器60401在FPGA电路模块501的控制下，能够将来自光纤耦合器602的耦合光波调制成线性扫频光脉冲。
作为本实施例一种具体方案，射频放大器503与声光调制器60401通过同轴电缆14相连接；模数转换模块504模块与第一平衡光电探测器60302和第二平衡光电探测器60303均通过同轴电缆14相连接；测控与信号处理设备5和分布式声学传感设备6内部的模块和元器件之间通过普通光纤相连接，该普通光纤为本领域常用的已知光纤。
本实施例中，模数转换模块504模块用于采集光量检测模块603转换后的电流信号。
本实施例中，单模测井钢丝光纤3的另一端进行错熔处理后与光纤配重8相连接；光纤配重8为不锈钢材质。单模测井钢丝光纤3能够探测水文地质勘探钻孔9中的水的状态信息。
实施例2:
本实施例提供一种采用分布式声学传感设备的含水层出水段定位方法，该方法采用实施例1中的采用分布式声学传感设备的含水层出水段定位系统，该方法具体包括如下步骤：
步骤一，组装系统；
将显示屏4、测控与信号处理设备5、分布式声学传感设备6和钻孔深度记录仪7依次连接好；将单模测井钢丝光纤3安装在测井绞车1上，将钻孔深度记录仪7和光纤配重8连接到单模测井钢丝光纤3上后，将单模测井钢丝光纤3连接有光纤配重8的一端绕过孔口定滑轮2，在光纤配重8作用下将单模测井钢丝光纤3伸入水文地质勘探钻孔9中；本实施例中，钻孔深度记录仪7用于记录光纤进孔深度。
步骤二，获取数字信号；
将步骤一中完成组装的系统中的单模测井钢丝光纤3，伸入步骤一布置好的水文地质勘探钻孔9中，采用窄线宽激光器601发出光波，光波经光纤耦合器602产生耦合光波，一部分耦合光波传送至偏振分集接收器60301中；
另一部分耦合光波传送至声光调制器60401中；采用FPGA电路模块501发出扫频脉冲序列，扫频脉冲序列通过数模转换模块502转换为扫频连续波，扫频连续波经过射频放大器503转换为放大扫频连续波，放大扫频连续波传输至声光调制器60401中；
另一部分耦合光波在声光调制器60401中被调制成线性扫频光脉冲，线性扫频光脉冲通过掺铒光纤放大器60402增强光功率后，经过环形器60403注入单模测井钢丝光纤3中，增强线性扫频光脉冲在单模测井钢丝光纤3中传输后产生的后向瑞利散射信号，后向瑞利散射信号经由环形器60403传送至偏振分集接收器60301中；
一部分耦合光波和后向瑞利散射信号在偏振分集接收器60301中发生拍频，产生光信号；光信号通过第一平衡光电探测器60302和第二平衡光电探测器60303转化为电流信号，电流信号通过模数转换模块504模块转化为数字信号，数字信号中包含有水文勘探钻孔含水层出水段的状态信息。
步骤三，获取差分相位信息；
采用FPGA电路模块501中的匹配滤波器，对步骤二获得的数字信号进行数字脉冲压缩，获得瑞利散射数字信号；采用FPGA电路模块501利用旋转矢量平均算法对瑞利散射数字信号进行降噪处理，以消除相干衰落噪声的影响，然后采用GPU和CPU组成的数据处理系统对降噪后的瑞利散射数字信号进行相位空间差分运算，以消除光源相位噪声的影响，获得差分相位信息；瑞利散射数字信号包含水文勘探钻孔中327.31～648.80m段单模测井钢丝光纤3所探测到的水的状态信息。
步骤四，获得滤波后的差分相位信息；
采用高通滤波器对步骤三获得的差分相位信息进行滤波，获得滤波后的差分相位信息。
步骤五，获得多次差分相位信息；
持续数小时重复步骤二至步骤四，获得多次差分相位信息；多次差分相位信息中包含有水文勘探钻孔含水层出水段的状态信息。
步骤六，获得有效差分相位信号；
采用GPU-CPU数据处理模块505，对步骤五获得的多次差分相位信息进行改进的总体平均经验模态分解，根据差分相位信息的时空特性，分析每一个基本模式分量代表的基本模式，剔除钻孔底部矿井生产噪声和地面环境噪声对信号造成的影响，选取仅代表顶板巨厚砂岩含水层出水段振动特征的模式分量，进行信号重构，获得有效差分相位信号；有效差分相位信号中包含有水文勘探钻孔含水层出水段的状态信息；本实施例中，进行改进的总体平均经验模态分解，能够进一步提高检测精度。
步骤七，定位顶板巨厚砂岩含水层出水段；
提取步骤六获得的有效差分相位信号中发生显著变化的一个或多个单模测井钢丝光纤3位置，结合钻孔深度记录仪7记录的单模测井钢丝光纤3进入钻孔的深度，获得顶板巨厚砂岩含水层出水段的位置。
作为本实施例的一种具体方案，步骤二中，扫频脉冲序列的脉冲持续时间为2μs，脉冲间隔为250μs，扫频范围为80Hz～200MHz。
作为本实施例的一种具体方案，高通滤波器的截止频率为80Hz；进行滤波能够滤除低频漂移，进一步提高检测精准度。
本实施例中，利用单模测井钢丝光纤3对声波振动敏感的特性，当水文勘探钻孔含水层出水段902的出水引起的微振动作用于单模测井钢丝光纤3时，由于弹光效应，模测井钢丝光纤的折射率和长度将产生微小变化，进而引起后向瑞利散射信号强度的变化。
本实施例的水文勘探钻孔的结构如图3所示，该水文勘探钻孔穿过含水层11，用于对洛河组地层进行全孔出水段精细划分试验。水文勘探钻孔的设计孔深为705m，设计终孔层位为煤下15m。水文勘探钻孔的0～327.31m处为套管段901，套管段901的孔径为219mm，套管段901外的水位为孔外水位12，套管段901内的水位为孔内水位13；27.31～648.80m处为测试段902，测试段902的孔径为168mm；648.80～749.97m处为封孔段903，封孔段903的孔径为113mm，测试前在648.80m～749.97m处进行钻孔封闭。
本实施例的含水层出水段精准定位测试如图3所示，在水文勘探钻孔的孔深为327.31～648.80m处，直径为168mm的钻孔内进行试验。对已准备好的水文探勘钻孔，在光纤配重作用下，将长度为700m的单模测井钢丝光纤尾端缓慢放入孔底648.80m处，由于孔底有沉淀物，所以在下放单模测井钢丝光纤的过程中同时测量单模测井钢丝光纤下入孔中的实际深度，直到单模测井钢丝光纤下到沉积物的顶部为止。单模测井钢丝光纤首端与分布式声学传感设备的前端接口相连，对钻孔327.31～648.80m段中的出水状态信息持续检测2小时，实现顶板含水层出水段10精准定位。
Claims (9)
1.一种采用分布式声学传感设备的含水层出水段定位系统，包括测井绞车(1)，所述的测井绞车(1)设置在水文地质勘探钻孔(9)外的地面上，所述的水文地质勘探钻孔(9)布设在顶板巨厚砂岩中；还包括定滑轮(2)，所述的定滑轮(2)设置在水文地质勘探钻孔(9)的顶端；其特征在于；
所述的测井绞车(1)上设置有单模测井钢丝光纤(3)的一端，单模测井钢丝光纤(3)的另一端绕过定滑轮(2)并伸入至水文地质勘探钻孔(9)中；单模测井钢丝光纤(3)上从左到右依次连接有显示屏(4)、测控与信号处理设备(5)、分布式声学传感设备(6)、钻孔深度记录仪(7)和光纤配重(8)；所述的显示屏(4)、测控与信号处理设备(5)、分布式声学传感设备(6)和钻孔深度记录仪(7)位于水文地质勘探钻孔(9)外的地面上，所述的钻孔深度记录仪(7)位于测井绞车(1)和定滑轮(2)之间；所述的光纤配重(8)位于水文地质勘探钻孔(9)中；
所述的分布式声学传感设备(6)包括用于发射光波的窄线宽激光器(601)，所述的窄线宽激光器(601)的输出端与光纤耦合器(602)的输入端相连接；所述的光纤耦合器(602)的第一输出端与光量检测模块(603)的第一输入端相连接；所述的光量检测模块(603)的输出端与测控与信号处理设备(5)的输入端相连接；
所述的光纤耦合器(602)的第二输出端与调制模块(604)的第一输入端相连接，所述的调制模块(604)的双向传输端与单模测井钢丝光纤(3)的双向传输端相连接；调制模块(604)的第二输出端与光量检测模块(603)的第二输入端相连接；
所述的调制模块(604)的第二输入端与测控与信号处理设备(5)的输出端相连接；
所述的测控与信号处理设备(5)包括输入端与光量检测模块(603)的输出端相连接的模数转换模块(504)，所述的模数转换模块(504)的输出端与FPGA电路模块(501)的输入端相连接，所述的FPGA电路模块(501)的第一输出端与数模转换模块(502)的输入端相连接，所述的数模转换模块(502)的输出端与射频放大器(503)的输入端相连接，所述的射频放大器(503)的输出端与调制模块(604)的输入端相连接；
所述的FPGA电路模块(501)的第二输出端与GPU-CPU数据处理模块(505)的输入端相连接，所述的GPU-CPU数据处理模块(505)的输出端与显示屏(4)相连接。
2.如权利要求1所述的采用分布式声学传感设备的含水层出水段定位系统，其特征在于，所述的光量检测模块(603)包括第一输入端与光纤耦合器(602)的第一输出端相连接的偏振分集接收器(60301)，偏振分集接收器(60301)的第二输入端与调制模块(604)的第二输出端相连接，偏振分集接收器(60301)的输出端与第一平衡光电探测器(60302)和第二平衡光电探测器(60303)的输入端均相连接；所述的第一平衡光电探测器(60302)和第二平衡光电探测器(60303)的输出端均与模数转换模块(504)的第二输入端相连接。
3.如权利要求2所述的采用分布式声学传感设备的含水层出水段定位系统，其特征在于，所述的调制模块(604)包括第一输入端与光纤耦合器(602)第二输出端相连接的声光调制器(60401)，所述的声光调制器(60401)的第二输入端与射频放大器(503)的输出端相连接；
所述的声光调制器(60401)的输出端与掺铒光纤放大器(60402)的输入端相连接，所述的掺铒光纤放大器(60402)的输出端与环形器(60403)的第一输入端相连接，所述的环形器(60403)的双向传输端与单模测井钢丝光纤(3)的双向传输端相连接，环形器(60403)的第二输出端与偏振分集接收器(60301)的第二输入端相连接。
4.如权利要求3所述的采用分布式声学传感设备的含水层出水段定位系统，其特征在于，所述的射频放大器(503)与声光调制器(60401)通过同轴电缆(14)相连接；所述的模数转换模块(504)与第一平衡光电探测器(60302)和第二平衡光电探测器(60303)均通过同轴电缆(14)相连接。
5.一种采用分布式声学传感设备的含水层出水段定位方法，该方法采用如权利要求1至4任一项所述的采用分布式声学传感设备的含水层出水段定位系统。
6.如权利要求5所述的采用分布式声学传感设备的含水层出水段定位方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：
步骤一，组装系统和布置水文地质勘探钻孔；
步骤二，获取数字信号；
将步骤一中完成组装的系统中的单模测井钢丝光纤(3)，伸入步骤一布置好的水文地质勘探钻孔(9)中，采用窄线宽激光器(601)发出光波，所述的光波经光纤耦合器(602)产生耦合光波，所述的一部分耦合光波传送至偏振分集接收器(60301)中；
所述的另一部分耦合光波传送至声光调制器(60401)中；采用FPGA电路模块(501)发出扫频脉冲序列，所述的扫频脉冲序列通过数模转换模块(502)转换为扫频连续波，所述的扫频连续波经过射频放大器(503)转换为放大扫频连续波，所述的放大扫频连续波传输至声光调制器(60401)中；
所述的另一部分耦合光波在声光调制器(60401)中被调制成线性扫频光脉冲，所述的线性扫频光脉冲通过掺铒光纤放大器(60402)增强光功率后，经过环形器(60403)注入单模测井钢丝光纤(3)中，所述的增强线性扫频光脉冲在单模测井钢丝光纤(3)中传输后产生的后向瑞利散射信号，所述的后向瑞利散射信号经由环形器(60403)传送至偏振分集接收器(60301)中；
所述的一部分耦合光波和所述的后向瑞利散射信号在偏振分集接收器(60301)中发生拍频，产生光信号；所述的光信号通过第一平衡光电探测器(60302)和第二平衡光电探测器(60303)转化为电流信号，所述的电流信号通过模数转换模块(504)转化为数字信号，所述的数字信号中包含有水文勘探钻孔含水层出水段的状态信息；
步骤三，获取差分相位信息；
采用FPGA电路模块(501)对步骤二获得的数字信号进行数字脉冲压缩，获得瑞利散射数字信号；采用FPGA电路模块(501)对所述的瑞利散射数字信号进行降噪处理，然后采用GPU-CPU数据处理模块(505)对降噪后的瑞利散射数字信号进行相位空间差分运算，获得差分相位信息；
步骤四，获得滤波后的差分相位信息；
步骤五，获得多次差分相位信息；
持续数小时重复步骤二至步骤四，获得多次差分相位信息；所述的多次差分相位信息中包含有水文勘探钻孔含水层出水段的状态信息；
步骤六，获得有效差分相位信号；
采用GPU-CPU数据处理模块(505)，对步骤五获得的多次差分相位信息进行改进的总体平均经验模态分解，选取仅代表顶板巨厚砂岩含水层出水段振动特征的模式分量，进行信号重构，获得有效差分相位信号；所述的有效差分相位信号中包含有水文勘探钻孔含水层出水段的状态信息；
步骤七，定位顶板巨厚砂岩含水层出水段；
提取步骤六获得的有效差分相位信号中发生显著变化的一个或多个单模测井钢丝光纤(3)位置，结合钻孔深度记录仪(7)记录的单模测井钢丝光纤(3)进入钻孔的深度，获得顶板巨厚砂岩含水层出水段的位置。
7.如权利要求6所述的采用分布式声学传感设备的含水层出水段定位方法，其特征在于，步骤二中，所述的扫频脉冲序列的脉冲持续时间为2μs，脉冲间隔为250μs，扫频范围为80Hz～200MHz。
8.如权利要求6所述的采用分布式声学传感设备的含水层出水段定位方法，其特征在于，所述的步骤一具体为：将显示屏(4)、测控与信号处理设备(5)、分布式声学传感设备(6)和钻孔深度记录仪(7)依次用单模测井钢丝光纤(3)连接好；将单模测井钢丝光纤(3)安装在测井绞车(1)上，将钻孔深度记录仪(7)和光纤配重(8)连接到单模测井钢丝光纤(3)上；将单模测井钢丝光纤(3)连接有光纤配重(8)的一端绕过孔口定滑轮(2)，并将单模测井钢丝光纤(3)伸入水文地质勘探钻孔(9)中。
9.如权利要求6所述的采用分布式声学传感设备的含水层出水段定位方法，其特征在于，所述的步骤四具体为：对步骤三获得的差分相位信息进行滤波，获得滤波后的差分相位信息，所述的滤波的截止频率为80Hz。
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